缝洞型油藏氮气辅助重力驱可行性分析

张慧 ，鞠斌山 ，刘中春 ，宋传真 ，朱桂良

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；3.中国地质大学（北京）非常规天然气能源地质评价与开发工程北京市重点实验室，北京 100083）

0 引言

塔河油田缝洞型油藏厚度大（大于200 m），纵向发育多套储集体，高角度裂缝发育。老区生产井经历了天然能量开采、注水、注气多个开发阶段，为了控制底水，大部分井已上返奥陶系顶部酸压生产。井间剩余油富集，赋存形式多样。通过加密井网及老井侧钻有效动用井间剩余油成本高、难度大。目前实施氮气驱的井组中，注气层段主要集中在奥陶系上部（0～100 m），以挖潜洞顶剩余油为主，导致奥陶系中下部的剩余油难以动用，提高采收率仅 1～2百分点［1-2］。

通过调研，国外已经在裂缝及裂缝孔洞型碳酸盐岩油藏中开展了氮气辅助重力驱技术的研究及应用。在生产层段采用水平井生产，生产层段顶部采用直井注气。注入气由于重力分异作用在生产层段顶部形成气带，驱替原油流入底部水平井，利用注入气与原油的密度差抑制黏性指进，从而大幅度提高采收率［3-19］。塔河油田缝洞型油藏埋藏深、非均质性极强，亟需探索该技术在塔河油田缝洞型油藏中的作用机理，明确该技术在塔河油田的可行性，为塔河油田缝洞型油藏注气技术的发展提供支持。

1 氮气辅助重力驱技术

针对塔河油田缝洞型油藏高角度裂缝发育、纵向发育多套储集体的地质特点，充分利用油藏厚度大、原油与气体密度差异大的优势，通过调控注气速度，采用动态调整生产井的生产层段，发挥油气重力分异作用，把下部已水淹层段剩余油通过气体辅助重力驱作用开采出来。

图1为缝洞型油藏氮气辅助重力驱技术实施示意。首先，将矿场大部分生产井的生产层段上返至奥陶系上部，井组注气多采用低注高采或高注高采，注气气窜失效后，井组最浅生产层段控制油气界面；然后，转换成高注低采或下返生产层段进行高注低采，注入氮气通过重力稳定驱油，油气界面进一步下移，直至下部的生产层段气窜；最后，将生产井的生产层段继续下返，再注气，油气界面进一步下移。通过这种方式，将中下部的剩余油开采出来。

图1 缝洞型油藏氮气辅助重力驱技术实施示意

2 氮气辅助重力驱启动剩余油机理

对于高角度裂缝发育的缝洞型油藏，经过天然底水驱和注水开发后，仍存在大量因复杂缝洞配置关系导致的洞顶剩余油和水窜裂缝通道屏蔽的剩余油。对于裂缝沟通的无泄压溶洞（盲端洞），裂缝内油气毛细管力为阻力，上行缝油气重力分异作用力为动力，油气重力分异作用力与驱替压力克服毛细管力后，气体克服阻力通过裂缝进入溶洞顶部，向下驱替原油。下行缝中油气重力分异作用力为阻力，气体驱替力克服毛细管力与重力分异作用力，才能驱替下行裂缝沟通的溶洞剩余油（见图2a）。因此，注气更容易启动上行裂缝沟通的溶洞剩余油。水驱与气驱相反，更易启动下行裂缝屏蔽溶洞剩余油（见图2b）。对于裂缝沟通的有泄压溶洞，在驱动力作用下注入气可启动下行裂缝屏蔽剩余油（见图2c），注入水可启动上行裂缝屏蔽剩余油（见图 2d）。

图2 气驱、水驱力学机制示意

在力学分析的基础上，研究了缝洞型油藏中启动最小裂缝尺度计算公式。式（1）为注气启动最小裂缝尺度Wog，min的计算公式，式（2）为注水启动最小裂缝尺度Wow，min的计算公式。

式中：θ′为裂缝倾角，（°）；p 为驱动力沿裂缝方向的分量，N；Δρog，Δρow分别为油气、 油水密度差，kg/m3；g 为重力加速度，取值 9.8 m/s2；σog，σow分别为油气、油水界面张力，mN/m；θ为油气接触角，（°）。

依据塔河油田油、气、水物性参数可知，油气密度差为834.75 kg/m3，油水密度差为251 kg/m3，油气接触角为50°，油气界面张力为38 mN/m。通过计算注水、注气启动最小裂缝尺度可知，注气更容易克服小尺度裂缝的重力和毛细管力。当裂缝宽度达到1.0 mm以上时，其沟通的盲端剩余油可被动用；当裂缝宽度达到0.2 mm以上时，其沟通的溶洞剩余油可被动用。因此，在相同注入地下体积的前提下，注水启动裂缝尺度小，注气可波及更多储集体中的剩余油。

3 氮气辅助重力驱力学机制

3.1 二维可视化剖面模型

基于露头、岩心、成像测井描述的裂缝尺度、角度、缝洞组合关系及充填情况，利用有机玻璃材料，依据动力与运动相似准则，确定物理模型参数（见表1），制作了缝洞体二维可视化剖面模型（见图3）。

图3 缝洞体二维可视化剖面模型

表1 油藏原型和物理模型参数对比

3.2 氮气辅助重力驱发挥作用的生产界限

以二维可视化剖面模型为基础，改变注气速度（1，3，6 mL/min）分别进行高注低采和低注高采注气驱替实验（见图4、图5。图中黄色箭头为气体从此处注入，红色箭头为油从此处采出，橙色为模拟油）。当注气速度为1 mL/min时，气体通过顶部连通溶洞的裂缝注入，并运移至生产井井底，但是仅驱替顶部溶洞的模拟油。当注气速度为3 mL/min时，气体通过上、下2个高导流通道驱替模拟油，气体横向窜逸量增加，波及体积增大。当注气速度为6 mL/min时，气体横向窜逸量更大，沿上部溶洞运移的分量变小，驱替效果变差。由此可知，气体横向窜逸量随注气速度的增加而增大，如获得较平稳的驱替效果，需要较低的注气速度。

图4 不同注气速度下高注低采注气驱替实验剩余油分布

图5为不同注气速度下低注高采注气驱替实验剩余油分布。当注气速度为1 ml/min时，气体仅通过顶部连通溶洞的裂缝注入，并运移至生产井的井底。随着注气速度的增大，气体通过上、下2个高导流通道驱替模拟油。由于注入井的位置低于采油井的位置，在较低的注气速度下才能实现稳定驱替，此时气体横向窜逸量更大，溶洞的启动程度降低，驱替效果变差。

图5 不同注气速度下低注高采注气驱替实验剩余油分布

对比高注低采和低注高采注气驱替实验剩余油分布情况可看出，高注低采注气驱替更能发挥重力分异作用，有效抑制气体窜逸，增大溶洞的启动程度。

由于油气流度比远大于油水流度比，气体横向驱替原油的能力不及水驱，因此，充分发挥油气的重力分异作用，实现垂向重力稳定驱替，是提高气驱效果的关键。为了定量表征气驱垂向重力分异力与水平驱替力相互作用的大小，提出驱动准数η的概念，其值为水平驱替力pl与垂向重力分异力pv的比值：

在实验过程中，注气井周边驱替压力随注气速度的改变而变化。驱油效率与驱动准数的关系曲线见图6。随着驱动准数增大，重力分异作用增强，驱油效率升高。如要实现驱动较好的重力驱替作用，驱动准数应大于0.05。

图6 驱油效率与驱动准数的关系

4 现场试验

基于上述对氮气辅助重力驱启动剩余油机理及其力学机制的认识，确定了试验井组或单元的选取原则：1）高含水率或暴性水淹失效井组；2）生产层位有高低部位组合；3）纵向上有多个层位。X6井组具备实施氮气辅助重力驱的地质条件，选择为试验目标区。设计一注一采的低注高采井网，实施氮气辅助重力驱后，井组含水率从71.7%下降到39.7%，累计增油3 100 t，预计增加井组可采储量1.58×104t。本次现场试验的成功，首次论证了氮气辅助重力驱技术在塔河油田缝洞型油藏应用的可行性，为缝洞型油藏改善注气效果提出了技术方向。建议在目前生产层位气窜后，下封隔器，下返生产层段，继续实施氮气辅助重力驱。

5 结论

1）建立了缝洞油藏中启动最小裂缝尺度的计算公式。当裂缝宽度达到1.0 mm以上时，其沟通的盲端剩余油即可被动用；当裂缝宽度达到0.2 mm以上时，其沟通的溶洞剩余油即可被动用。在相同注入地下体积的前提下，注气可波及更多储集体中的剩余油。

2）根据缝洞体二维可视化剖面模型，改变注气速度分别进行高注低采和低注高采注气驱替实验。对比分析剩余油分布情况可知，高注低采注气驱替更能发挥气体的重力分异作用，有效抑制气体窜逸，增大溶洞的启动程度。

3）提出驱动准数的概念，定量表征了气驱垂向重力分异力与水平驱替力相互作用的大小。随着驱动准数增大，重力作用增强，驱油效率升高。要实现较好的重力驱替作用，驱动准数应大于0.05。

4）氮气辅助重力驱现场试验取得了成功，井组含水率从71.7%下降到39.7%，累计增油3 100 t。论证了氮气辅助重力驱技术在塔河缝洞型油藏应用的可行性，为塔河油田缝洞型油藏改善注气效果提出了技术方向。